Las propiedades de un sólido dependen de la disposición de sus átomos, que forman una estructura cristalina periódica. A nanoescala, las disposiciones que rompen esta estructura periódica pueden alterar drásticamente el comportamiento del material, pero esto es difícil de medir. Avances recientespor científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. DOE están empezando a desentrañar este misterio.
Utilizando la dispersión de rayos X de neutrones y sincrotrón de última generación, los científicos de Argonne y sus colaboradores están ayudando a responder preguntas de larga data sobre una clase de materiales tecnológicamente importantes llamados ferroeléctricos relajantes, que a menudo están basados en plomo. Estos materialestienen propiedades mecánicas y eléctricas que son útiles en aplicaciones como el sonar y el ultrasonido. Cuanto más entiendan los científicos sobre la estructura interna de los ferroeléctricos relajantes, mejores materiales podremos desarrollar para estas y otras aplicaciones.
Las constantes dieléctricas de los ferroeléctricos relajantes, que expresan su capacidad de almacenar energía cuando están en un campo eléctrico, tienen una dependencia inusual de la frecuencia del campo. Su origen ha sido durante mucho tiempo un misterio para los científicos. Los ferroeléctricos relajantes también pueden ser extremadamente altospropiedades piezoeléctricas, lo que significa que cuando se tensan mecánicamente desarrollan un campo eléctrico interno o, por el contrario, se expanden o contraen en presencia de un campo eléctrico externo. Estas propiedades hacen que los ferroeléctricos relajantes sean útiles en tecnologías donde la energía debe convertirse entre mecánica y eléctrica..
Debido a que el plomo es tóxico, los científicos están tratando de desarrollar materiales no basados en plomo que puedan funcionar incluso mejor que los ferroeléctricos a base de plomo. Para desarrollar estos materiales, los científicos primero están tratando de descubrir qué aspectos de la estructura cristalina de la ferroeléctrica relajantesus propiedades únicas. Aunque la estructura es ordenada y predecible en promedio, las desviaciones de este orden pueden ocurrir a nivel local o a nanoescala. Estas rupturas en la simetría de largo alcance de la estructura general juegan un papel crucial en la determinación de las propiedades del material.
"Entendemos muy bien el orden a largo plazo, pero para este experimento desarrollamos nuevas herramientas y métodos para estudiar el orden local", dijo el físico senior de Argonne, Stephan Rosenkranz.
Los científicos de Argonne y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, junto con sus colaboradores, estudiaron una serie de ferroeléctricos basados en plomo con diferentes órdenes locales y, por lo tanto, diferentes propiedades. Utilizando una nueva instrumentación diseñada por científicos de Argonne que puede proporcionar unMedición mucho más grande y más detallada que los instrumentos anteriores, el equipo estudió la dispersión difusa de los materiales, o cómo las desviaciones locales en la estructura afectan el patrón de dispersión más ordenado.
Investigadores anteriores identificaron un cierto patrón de dispersión difusa, que toma la forma de una mariposa, y lo asociaron con las propiedades dieléctricas anómalas de los ferroeléctricos relajantes. Sin embargo, cuando los científicos de Argonne analizaron sus datos experimentales, descubrieron que la dispersión en forma de mariposaestaba fuertemente correlacionado con el comportamiento piezoeléctrico.
"Ahora podemos pensar en qué tipo de orden local causa esta dispersión de mariposas y cómo podemos diseñar materiales que tengan las mismas características estructurales que dan lugar a este efecto", dijo el físico de Argonne Danny Phelan.
En cuanto a la causa real de las propiedades dieléctricas anómalas, los científicos proponen que surge de interacciones competitivas que conducen a la "frustración" en el material.
Los nuevos descubrimientos surgieron del uso de los científicos de la dispersión de neutrones y la dispersión de rayos X. "Hay una complementariedad invaluable al usar ambas técnicas", dijo Phelan. "Usar una u otra no le da el todoimagen."
Los científicos utilizarán estos descubrimientos para informar modelos de ferroeléctricos relajantes que se utilizan para desarrollar nuevos materiales. Los experimentos futuros iluminarán aún más la relación entre el orden local y las propiedades de los materiales.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Argonne . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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